[논문 리뷰] Interpreting electroweak precision data including the $W$-mass CDF anomaly

Алессандро Струмиа|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 정밀도 데이터의 글로벌 피팅을 수행하여, CDF $W$-boson 질량 이상현상이 트리 수준에서 $\widehat{T}$ 매개변수 또는 $|H^\dagger D_\mu H|^2$ 연산자에 대한 보편적인 새로운 물리 보정으로 설명될 수 있음을 보여준다. 이러한 효과들은 다중 테바르크의 새로운 물리—예를 들어 $Z^\prime$ 보손, 리틀-하이즈 모델, 또는 추가 차원 기하학—에서 기인하며, 루프 수준 기여는 일반적으로 콜라이더 제약 조건과 충돌하므로 약한 척도의 새로운 물리가 필요하다. 유일한 예외는 특수한 운동학적 조건(예: 준동등한 어둠의 물질 상태)을 가정할 경우에만 가능하다.

ABSTRACT

We perform a global fit of electroweak data, finding that the anomaly in the $W$ mass claimed by the CDF collaboration can be reproduced as a universal new-physics correction to the $T$ parameter or $| H^\dagger D_μH|^2$ operator. Contributions at tree-level from multi-TeV new physics can fit the anomaly compatibly with collider bounds: we explore which scalar vacuum expectation values (such as a triplet with zero hypercharge), $Z'$ vectors (such as a $Z'$ coupled to the Higgs only), little-Higgs models or higher-dimensional geometries provide good global fits. On the other hand, new physics that contributes at loop-level must be around the weak scale to fit the anomaly. Thereby it generically conflicts with collider bounds, that can be bypassed assuming special kinematics like quasi-degenerate particles that decay into Dark Matter (such as an inert Higgs doublet or appropriate supersymmetric particles).

연구 동기 및 목표

• CDF $W$-보존 질량 이상현상이 전자약력 정밀도 데이터의 글로벌 피팅 내에서 일관되게 설명될 수 있는지 평가하기.
• 콜라이더 및 정밀도 제약 조건을 만족하면서도 이상현상을 재현할 수 있는 트리 수준 또는 루프 수준의 새로운 물리 기여 유형을 규명하기.
• 특히 $Z^\prime$ 보손, 스칼라 진공 기대값, 또는 리틀-하이즈 모델과 같은 타당한 새로운 물리 모델을 식별하여, 최소한의 정밀 조정으로 이상현상을 설명할 수 있는지 확인하기.
• 루프 기여에 의한 새로운 물리가 현재 LHC 제약 조건과 어떻게 호환되는지 평가하고, 이러한 제약 조건을 피할 수 있는 특수한 운동학적 구성 조건을 규명하기.

제안 방법

• 전자약력 정밀도 데이터를 포함한 글로벌 피팅을 수행하였으며, 이는 새로운 CDF $W$-질량 측정치, LEP, LHC, 그리고 토프/히그스 질량 제약 조건을 포함한다.
• 효과적 장 이론을 사용하여 6차원 연산자를 사용하며, 새로운 물리의 기여를 $\widehat{S}$, $\widehat{T}$, $W$, $Y$ 매개변수의 보정으로 기술한다.
• 트리 수준 기여는 무거운 스칼라 진공 기대값, $Z^\prime$ 벡터 보손, 또는 고차원 압축화를 통해 모델링되었으며, $\widehat{T}$-지배 보정은 힉스에만 결합하는 $Z^\prime$ 또는 특정 리틀-하이즈 모델에서 기인한다.
• 루프 수준 기여는 새로운 물리가 약한 척도 근처에 있어야 하며, LHC 데이터에서의 $W,Y$ 매개변수 제약 조건을 가정하여 평가되었다.
• 특정 모델—예를 들어 SU(5)/SO(5) 및 SU(6)/Sp(6) 리틀-하이즈 모델—은 트리 수준에서 필요한 $\widehat{T}$ 보정을 생성할 수 있는지 분석되었다.
• 추가 차원 모델은 경계에 국한된 운동에너지 항을 가진 평탄한 추가 차원을 통해 고려되었으며, $f$-스케일 억제를 통해 유사한 $\widehat{T}$-지배 보정을 재현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF $W$-보존 질량 이상현상은 전자약력 글로벌 피팅 내에서 $\widehat{T}$ 매개변수에 대한 보편적인 새로운 물리 보정으로 일관되게 설명될 수 있는가?
• RQ2 특히 $Z^\prime$ 보손, 스칼라 진공 기대값, 또는 리틀-하이즈 모델 등 어떤 종류의 새로운 물리가 트리 수준에서 필요한 $\widehat{T}$ 보정을 생성하면서도 콜라이더 제약 조건을 회피할 수 있는가?
• RQ3 왜 루프 수준의 새로운 물리 기여는 일반적으로 LHC 제약 조건과 충돌하는가? 그리고 어떤 운동학적 구성 조건이 이러한 기여를 생존 가능하게 만들 수 있는가?
• RQ4 경계에 국한된 운동에너지 항을 가진 고차원 모델은 어떻게 $\widehat{T}$ 보정을 재현하는가? 그리고 이러한 모델의 현상학적 함의는 무엇인가?
• RQ5 LHC 데이터에서의 $W$ 및 $Y$ 매개변수 제약 조건은 타당한 모델을 얼마나 제한하는가? 그리고 이는 글로벌 피팅의 질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CDF $W$-보존 질량 이상현상은 $\widehat{T} \approx 10^{-3}$ 수준의 보편적인 새로운 물리 보정으로 설명될 수 있으며, 이는 약 $5\,{\rm TeV}$로 억제된 효과적 $|H^\dagger D_\mu H|^2$ 연산자에 해당한다.
• 다중 테바르크의 새로운 물리—예를 들어 힉스에만 결합하는 $Z^\prime$ 보손—에서 기인하는 트리 수준 기여는 이상현상을 재현하면서도 LHC 제약 조건과 호환된다.
• SU(5)/SO(5) 및 SU(6)/Sp(6) 전역 대칭을 기반으로 한 리틀-하이즈 모델은 트리 수준에서 필요한 $\widehat{T}$ 보정을 생성하며, 그로 인해 좋은 글로벌 피팅 결과를 보이며, 그림 7 및 그림 8에서 이를 확인할 수 있다.
• U(1)_Y 벡터에 대해 경계에 국한된 운동에너지 항을 가진 추가 차원 모델은 작은 $c^\prime$ 값에서 $\widehat{T}$ 보정이 지배적이게 되며, 비재규격화 성격으로 인해 명확한 주장은 제한된다.
• 루프 수준의 새로운 물리 기여는 이상현상을 맞추기 위해 약한 척도 근처($\sim 300\,{\rm GeV}$)에 있어야 하지만, 특수한 운동학적 조건(예: 어둠의 물질로 붕괴하는 준동등한 입자들)이 적용되지 않는 한 일반적으로 LHC 제약 조건에 의해 배제된다.
• $W$ 및 $Y$ 매개변수는 이제 LHC 데이터로 인해 너무 작게 제약을 받으며, 이상현상을 재현할 수 없게 되었고, 이는 $\widehat{T}$ 가 충분히 크지 않다면 많은 보편 모델을 배제한다.